Universiteit Stuttgart
Onderzoekt maatregelen voor geluidsdemping
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Een hogere vermogensdichtheid leidt, tenzij men maatregelen neemt, ook
in de hydrauliek tot hogere geluidsproductie. Daarmee hoeven noch de
producent noch de gebruiker genoegen te nemen: er zijn primaire en
secundaire maatregelen te treffen om dit te verhelpen. In dit artikel
worden u maatregelen voorgesteld om de overdracht van het geluid te
onderbreken, die zeer efficiënt zijn en die daarnaast zeer goed in
bestaande installaties geïntegreerd kunnen worden. Er worden
onderzoekingen beschreven die de dempende werking van secundaire
maatregelen betreffen.
Geluid, vermogen, lekkage”: dit zijn de parameters waaraan een hydraulisch
systeem moet voldoen. Het thema geluid is vanwege drie redenen uiterst
kritisch.
Ten eerste: de hogere vermogensdichtheid met de hogere drukken bij steeds
kleinere en/of lichtere componenten leidt stelselmatig tot een hoger
geluidsniveau. Ten tweede: richtlijnen en normen verhogen in veel landen
en toepassingsgebieden de eisen aan geluidsreductie. Ten derde: primaire
maatregelen om het geluid te reduceren, dwz. een geluidstechnisch optimale
constructie van pompen, motoren en ventielen, zijn vaak zeer complex en
niet eenvoudig te realiseren; daarnaast moeten dan ook de componenten
opnieuw geconstrueerd worden.
Bij secundaire dempende maatregelen ligt dat anders, dwz. bij de
ontkoppeling van de geluidsoverdracht van afzonderlijke componenten. Hier
kan men applicatie specifieke maatregelen treffen of gebruik maken van
standaard componenten, zoals b.v. dempingsringen en –rails. Bijzonder
efficiënt is de dempingsring die wordt gemonteerd tussen lantaarnstuk en
pomp, omdat deze ring direct aan de bron van het geluid (de pomp )
gemonteerd wordt (afbeelding 1). Hiermee wordt de overdracht van het
geluid op het leidingsysteem, de elektromotor en het oliereservoir
verhindert.
Demping: direct bij de pomp…
Voordat je dieper op het onderwerp ingaat, moet men in ogenschouw nemen
dat de in eerste instantie logisch klinkende opmerking “Hoe zachter
gedempt, des te beter de dempende werking” niet juist is. Vanwege de
interne vergrendeling laat de D-ring van KTR (afbeelding 2) een hogere
stijfheid zien dan de conventionele dempingsring en zorgt de D-ring
gelijktijdig voor een verbeterde demping van het geluid. Dit komt door een
verdubbeling van het dempende oppervlak wat ontstaat door de
vergrendeling.
… en tussen motor-pomp-unit en oliereservoir
Op de tweede plaats van secundaire dempende maatregelen staat de
geluidstechnische ontkoppeling van de complete motor-pomp-unit. Ook hier
geldt de reeds eerder genoemde stelling: stijver betekent niet bij
voorbaat meer geluid. Dit wordt bevestigd door talrijke tests aan
elastische lageringen in KTR’s eigen testruimte in samenwerking met het
Duitse instituut “Institut für Werkzeugmaschinen” (IfW) van de
universiteit van Stuttgart. Onderstaand worden een serie onderzoekingen
van de verschillende dempende maatregelen beschreven.
Geluidstrillingen bij hydrauliek aggregaten
In eerste instantie worden geluidsonderzoeken aan een standaard hydrauliek
aggregaat zonder dempende maatregelen(afbeelding 3) uitgevoerd volgens de
intensiteitmethode. Men past een 30 kW aggregaat toe en een elektromotor
bouwgrootte 200 L B3/B5 in combinatie met een axiale plunjerpomp. De
inhoud van het reservoir bedraagt 400 liter. Dit aggregaat moest
geluidstechnisch geoptimaliseerd worden.
Vergelijking van vier verschillende dempende maatregelen
Men voorzag het aggregaat van vier verschillende pakketten voor
geluidsdemping en onderzocht het vervolgens met behulp van de Eindige
Elementen Methode en de geluidsmeting. Bij aggregaat 1 (afbeelding 4) zijn
de motorvoeten gemaakt van vol materiaal en aan de motor gelast. Het met
ribben verstevigde, stalen lantaarnstuk is voorzien van een dempingsring
en onder de motorvoeten zijn dempingsrails aangebracht. Het geluid in de
aanzuigleiding wordt door toepassen van een slang niet verder doorgegeven
– een belangrijk detail, omdat het geluid vanuit de pomp zich ook via
leidingen over verre afstanden kan verspreiden. Aggregaat 2 (afbeelding 6)
heeft aanvullend nog speciale flenshouders om geluiden die ontstaan tussen
motorflens en lantaarnstuk bij piekmomenten te vermijden. Aggregaat 3
(afbeelding 7) maakt gebruik van dezelfde motorvoeten en lantaarnstuk met
dempingsring. Hier werd echter een verstijfde onderplaat constructie
toegepast in plaats van de dempingsrails en werd het geheel d.m.v.
dempingsvoeten van de grondplaat ontkoppeld. Aggregaat 4 (afbeelding 8)
ziet af van allerlei speciale componenten en maakt gebruik van standaard
componenten: een standaard lantaarnstuk met dempingsring en een voetflens
met dempingsrails.
Standaard- of speciale componenten?
Uit het diagram (afbeelding 9) kan men aflezen dat het geluidsdempende
effect bij de aggregaten 1, 2 en 3 het best is. Deze uitslag zal de
wetenschappers goed doen, maar de producent van de installatie geenszins,
want de bij deze aggregaten toegepaste maatregelen kunnen alleen als
speciale constructie, dat betekent met meer tijd en hogere kosten,
gerealiseerd worden.
Houdt men dus niet alleen rekening met sec de geluidsemissie, maar ook met
de verhouding kosten-baten en de eisen die vanuit de markt worden gesteld,
dan kan men alleen maar concluderen dat met standaard componenten
(voetflens en dempingsring) al een acceptabel resultaat wordt bereikt –
tegen duidelijk geringere kosten dan bij de varianten 1 tot en met 3.
De resultaten van de door de universiteit van Stuttgart uitgevoerde tests
komen overeen met de onderzoekingen die door KTR in haar eigen ruimte voor
geluidsmeting zijn uitgevoerd. Ze omvatten ook de uitstekende werking van
de relatief eenvoudig opgebouwde dempingsrails: de dempingsrails
verstijven de structuur van de navolgende constructie net zo goed als
profielen of aangelastte ribben dat doen en ontkoppelen gelijktijdig het
geluid terwijl vlakke stalen rails onder de labiele voeten van
elektromotor de geluidsdemping van de individuele buffers teniet doen.
Men moet hier echter aan toevoegen, dat dempingsrails alleen dan een goed
resultaat geven wanneer gebruik wordt gemaakt van hoogwaardige materialen.
Natuurrubber (NR) geldt hier als referentie: weliswaar niet goedkoop, maar
het behoudt wel zijn eigenschappen over een zeer lang tijdsbestek. Andere
mengverhoudingen, zoals bij banden, worden daarentegen vaak toegepast,
maar verliezen hun dempende werking in de loop van de tijd, omdat het
materiaal verhardt.
Stijfheid niet verwaarlozen
De DT-dempingsringen bewerkstelligen een gelijksoortig effect als bij de
dempingsrails. Daarnaast leveren ze ook een bijdrage aan de stabiliteit
van de aangesloten componenten (deksel en wand van het reservoir). Het
principe van hun geluidsdempende werking berust op een speciaal
ontkoppelings effect.: tussen de metalen wanden bevindt zich een elastisch
materiaal. De metalen wanden reflecteren het geluid, die dan door het
elastische materiaal wordt geabsorbeerd. De opbouw, in de vorm van
sandwich, van de dempende elementen zorgt dus voor de uitstekende dempende
werking. Gelijktijdig draagt ze bij aan de stabiliteit van het gehele
systeem, vooral wanneer men de in zichzelf vergrendelde dempingsringen
toepast.
Voetflens in plaats van motorvoeten
Aan het aspect stijfheid moet de constructeur speciale aandacht schenken,
omdat anders alle inspanningen tevergeefs zijn. In dit verband genieten de
voetflenzen (B5-bouwvorm) de voorkeur boven de B3/B5-bouwvorm
(elektromotor met voeten). Voetflenzen verstijven namelijk de totale
structuur van de motor-pomp-combinatie en zorgen ook zonder elastische
elementen voor reductie van het geluid. Ook de m.b.v. FEM-berekeningen
geoptimaliseerde constructie van de moderne voetflenzen, die bij geringere
gewichten toch tot een grotere stabiliteit voeren, draagt bij aan
geluidsreductie. De relatief instabiele voeten van elektromotoren zorgen
er daarentegen voor dat de motor in zijn eigen frequentie kan draaien en
zorgen daarmee voor meer geluidsontwikkeling.
Ook het lantaarnstuk draagt een steentje bij aan de stabiliteit van de
motor-pomp-combinatie. De van ribben voorziene flens zorgt voor een
grotere stijfheid van de aansluiting van de motor. Het geluidsdempende
effect is hier echter niet zo groot, omdat dit in principe door het
aanwezige oppervlakte teniet wordt gedaan.
Voor elke motor-pomp-combinatie de passende geluidsdemping
Bij de ontwikkeling van een installatie moeten ook de keuze van motor en
pomp in het aspect geluidsdemping worden opgenomen en de bijbehorende
secundaire maatregelen getroffen worden. Voor zowel horizontale,
zijdelingse en verticale montage staan uitstekende componenten ter
beschikking, die – bij juiste selectie – alledrie montagevormen
gelijkwaardig maken: bij V1-bouwvorm zijn dat de DT- resp. DTV
dempingsringen. Bij zijdelingse montage aan een oliereservoir dient men te
kiezen voor een qua stijfheid gelijkwaardige DT-dempingsring en bij
B5-bouwvorm leidt een combinatie van een voetflens met dempingsrails tot
uitstekende resultaten.
Gedetailleerd ontwerp is vereiste
Aanvullende maatregelen, die niet de motor-pomp-combinatie betreffen,
zorgen tevens voor nog betere resultaten. Daarbij kan men denken aan: de
ontkoppeling van leidingen, vooral de aanzuigleiding, met elastische
buisdoorvoeren net zoals het verstijven of het elastisch “ophangen” van
trillende afdekkappen, het verbeterd aanleggen van de leidingen (met
180o-boog i.p.v. rechtstreeks) en het vastzetten van trillende peilglazen.
De producenten van dempingselementen staan voor de opgave om aan de éne
kant universele en daarmee goedkopere (dempings)elementen aan te bieden en
aan de andere kant een voor de applicatie toegespitste speciale oplossing
aan te bieden om zo aan de steeds hogere eisen te voldoen. Dit is absoluut
niet eenvoudig, omdat de applicaties en omgevingen elke keer weer totaal
verschillend kunnen zijn. De dempingselementen moeten geschikt zijn voor
zowel horizontale en verticale montage. Men moet er rekening mee houden
dat de eigen frequentie van pomptype tot pomptype verschilt. Daarbij
veranderen onder de invloed van de temperatuur de parameters van het
systeem en daarmee ook het geluid. Ook kunnen fouten in het totale systeem
(b.v. het aansluiten van de buizen) ertoe leiden dat de genomen
maatregelen volledig teniet worden gedaan. Tot slot spelen de kosten een
belangrijke rol. De gebruiker is in de regel niet bereid de noodzakelijke
meerprijs van de verschillende aanpassingen te betalen.
Succes bij geluidsreductie
Aan al deze eisen kan worden voldaan, zoals de resultaten van de
hydraulisch industrie de afgelopen jaren hebben laten zien: de producenten
van pompen en motoren hebben nieuwe, geluidstechnisch gezien,
geoptimaliseerde series ontwikkeld en met de juist gekozen secundaire
maatregelen kunnen verdere geluidsreducties van 3 – 8 dB (A) bereikt
worden, natuurlijk zonder verlies van vermogen. Hiermee wordt ook aan
strenge eisen van geluidsemissie voldaan en de hydraulische industrie
bedrijft marketing in eigen voordeel: stille installaties genieten hogere
acceptatie bij gebruikers. <<
Christoph Bettmer – KTR Kupplungstechnik GmbH – Rheine - vertaling: Rob
Peper – KTR Nederland B.V.
L’Université
de Stuttgart
cherche des méthodes pour assourdir le bruit
A moins de prendre des mesures adéquates, une plus grande puissance
volumique induit une production sonore plus importante, même dans le
secteur de l’hydraulique. Toutefois, le fabricant et l’utilisateur ne
doivent pas se résigner à une telle situation : il existe des mesures
primaires et secondaires permettant de remédier à ce problème. L’Institut
allemand des machines-outils (IfW) de l’Université de Stuttgart a réalisé
plusieurs recherches sur différentes méthodes d’assourdissement. La maxime
‘plus on amortit doucement, plus l’effet d’assourdissement sera efficace’
semble en tout cas fausse.
Le bruit, la puissance et les fuites sont autant de paramètres auxquels
est confronté un système hydraulique. Le bruit est particulièrement
critique pour trois raisons. Tout d’abord, une augmentation de la
puissance volumique avec des pressions plus importantes, assurées par des
composants toujours plus petits et/ou plus légers, génère systématiquement
un niveau sonore plus élevé. Ensuite, les directives et normes durcissent
les exigences de réduction sonore dans de nombreux pays et champs d’applications.
Enfin, les mesures primaires visant à réduire le bruit, c’est-à-dire une
construction optimisée sur le plan sonore des pompes, moteurs et vannes,
sont souvent très complexes et difficiles à mettre en œuvre. En outre,
elles requièrent une nouvelle conception des composants. Le problème est
différent pour les mesures d’assourdissement secondaires, c’est-à-dire
pour l’arrêt du transfert de son entre les composants distincts. Dans ce
cas, il est possible de prendre des mesures propres à l’application ou d’utiliser
des composants standard, comme par ex. des bagues et rails d’assourdissement.
La bague d’assourdissement montée entre la lanterne et la pompe est
particulièrement efficace, car cette bague est montée directement sur la
source du bruit (la pompe) (ill. 1). Le transfert du son sur le système de
conduite, le moteur électrique et le réservoir d’huile, est ainsi stoppé.
L’assourdissement : directement près de la pompe…
Avant d’aller plus loin dans le sujet, il faut savoir que la croyance à
première vue logique qui veut que ‘plus on amortit doucement, plus l’effet
d’assourdissement est efficace’ est fausse. En raison du verrouillage
interne, la bague D de KTR (ill. 2) montre une plus grande rigidité que la
bague d’assourdissement traditionnelle et assure simultanément un meilleur
assourdissement. Cela s’explique par un doublement de la surface d’assourdissement
dû au verrouillage.
…et entre l’unité moteur-pompe et le réservoir d’huile
Le découplage de l’unité complète moteur-pompe figure en deuxième position
dans la liste des mesures d’assourdissement secondaires. La thèse
mentionnée ci-dessus s’applique aussi dans ce cas : un accroissement de la
rigidité ne signifie pas nécessairement un surplus de bruit. Cela fut
confirmé par les nombreux tests réalisés sur les paliers élastiques dans
le labo de test de KTR, en collaboration avec l’institut allemand
‘Institut für Werkzeugmaschinen’ (IfW) de l’université de Stuttgart. Nous
vous décrivons ci-dessous une série d’études portant sur différentes
mesures d’assourdissement.
Vibrations sonores des groupes hydrauliques
On effectue d’abord des études sonores sur un groupe hydraulique standard
dépourvu de tous moyens d’assourdissement (ill. 3). On utilise un groupe
de 30 kW et un moteur électrique de taille 200 L B3/B5 en combinaison avec
une pompe à piston axiale. Le volume du réservoir s’élève à 400 litres. Ce
groupe doit être optimisé sur le plan sonore.
Comparaison de quatre mesures d’assourdissement différentes
Le groupe a été équipé de quatre solutions d’assourdissement sonore
différentes. Il a ensuite été analysé selon la méthode des éléments finis
et au moyen d’une mesure sonore. Dans le groupe 1 (ill. 4), les pieds du
moteur sont fabriqués en matériau plein et sont soudés au moteur. La
lanterne en acier, renforcée par des ailettes, est dotée d’une bague d’assourdissement
et de rails d’assourdissement placés en dessous des pieds du moteur. Grâce
à l’utilisation d’un tuyau flexible, le bruit dans la conduite d’aspiration
n’est pas transmis plus loin, un détail qui a toute son importance puisque
le bruit généré par la pompe peut également se diffuser au travers des
conduites sur des distances très longues. Le groupe 2 (ill. 5) dispose en
plus de supports de brides spéciaux permettant d’éviter les bruits prenant
naissance entre la bride du moteur et la lanterne aux moments des crêtes.
Le groupe 3 (ill. 6) utilise les mêmes pieds de moteur et la même lanterne
à bague d’assourdissement. Une plaque de base de rigidification a
toutefois été utilisée en remplacement des rails d’assourdissement et
l’ensemble a été découplé de la plaque de base au moyen de supports d’assourdissement.
Le groupe 4 (ill. 7) renonce à toutes sortes de composants spéciaux et
recourt à des composants standard : une lanterne standard avec bague d’assourdissement
et une bride de pied avec rails d’assourdissement.
Composants standard ou spéciaux ?
Le graphique nous montre que l’effet d’assourdissement est meilleur dans
les groupes 1, 2 et 3. Ce résultat réconfortera les scientifiques mais pas
le fabricant de l’installation car les moyens utilisés pour ces groupes ne
peuvent être mis en oeuvre que moyennant des constructions spéciales. En
d’autres termes, ils impliquent un surcroît de temps et des coûts plus
élevés. Donc, si l’on tient également compte du rapport coûts-profits et
des exigences posées par le marché, on ne peut que conclure que les
composants standard (bride de pied et bague d’assourdissement) donnent
déjà un résultat acceptable à des prix sensiblement inférieurs aux
variantes 1 à 3. Les résultats des tests effectués par l’Université de
Stuttgart correspondent à ceux des études menées par KTR dans son propre
laboratoire de mesure sonore. Ils mettent aussi en avant l’excellent
fonctionnement des rails d’assourdissement de construction assez simple :
les rails d’assourdissement rigidifient la structure de la construction en
question, au même titre que des profilés ou ailettes soudées. Ils bloquent
simultanément le bruit tandis que des rails en acier plats placés sous les
pieds instables du moteur électrique réduisent à néant l’assourdissement
des butées individuelles. Ajoutons toutefois que les rails d’assourdissement
ne donnent un bon résultat que si l’on utilise des matériaux de qualité
supérieure. Le caoutchouc naturel constitue ici la référence en la matière
: il n’est certes pas bon marché mais il conserve ses caractéristiques sur
une longue durée. D’autres mélanges, comme ceux des pneus, sont en
revanche souvent utilisés mais perdent leur effet assourdissant au fil du
temps en raison du durcissement du matériau.
Ne pas négliger la rigidité
Les bagues d’assourdissement DT réalisent un effet similaire aux rails d’assourdissement.
Elles contribuent par ailleurs à la stabilité des composants raccordés (couvercle
et paroi du réservoir). Le principe de l’effet assourdissant repose sur un
effet spécial de découplage : entre les parois métalliques se trouve un
matériau élastique. Les parois métalliques réfléchissent le bruit qui est
ensuite absorbé par le matériau élastique. La construction des éléments
assourdissants, sous forme de sandwich, assure donc un excellent effet
assourdissant. Elle contribue simultanément à la stabilité du système
complet, surtout lorsqu’on emploie les bagues d’assourdissement
verrouillées en elles-mêmes.
Une bride de pieds au lieu de pieds de moteur
Le constructeur doit attacher une attention toute particulière à la ‘rigidité’,
sinon tous les efforts sont vains. A cet égard, les brides de pieds (version
B5) ont la préférence par rapport à la version B3/B5 (moteur électrique
sur pieds). Les brides de pieds rigidifient en effet la structure complète
de la combinaison moteur-pompe et réduisent aussi le bruit sans éléments
élastiques. Les brides de pieds modernes, construites et optimisées selon
la méthode des éléments finis, apportent une plus grande stabilité pour
des poids plus faibles et contribuent aussi à une certaine réduction
sonore. Les pieds relativement instables des moteurs électriques
permettent en revanche au moteur de vibrer à sa propre fréquence et
favorisent ainsi un plus grand développement de bruit. La lanterne apporte,
elle aussi, sa contribution dans la stabilité de la combinaison
moteur-pompe. La bride dotée d’ailettes assure une plus grande rigidité du
couplage au moteur. L’effet assourdissant n’est toutefois pas aussi
important car il est en principe annulé par la surface présente.
Un assourdissement adéquat pour chaque combinaison moteur-pompe
Le choix du moteur et de la pompe doit également être pris en compte pour
l’assourdissement lors du développement d’une installation et du type de
mesures secondaires à prendre. Il existe des composants excellents, tant
pour le montage horizontal, latéral que vertical, qui rendent les trois
formes de montage équivalentes s’ils ont été bien choisis. Pour une
construction V1, nous opterons pour les bagues d’assourdissement DT DTV.
Pour un montage latéral à un réservoir à huile, il faut choisir une bague
d’assourdissement DT similaire en termes de rigidité et pour une version
B5, la combinaison d’une bride de pieds avec des rails d’assourdissement
donnera d’excellents résultats.
Une conception détaillée est un must
Des mesures complémentaires, qui ne concernent pas la combinaison
moteur-pompe, assurent des résultats encore meilleurs. Pensons par exemple
au découplage des conduites, surtout la conduite d’aspiration, avec des
raccords de conduite élastiques tout comme la rigidification ou la
‘suspension’ élastique des capots de recouvrement vibrants, l’aménagement
amélioré des conduites (avec un arc de 180° plutôt que direct) et la
fixation des indicateurs de niveau vibrants. Les fabricants d’éléments d’assourdissement
sont confrontés au problème de proposer, d’une part, des éléments (d’assourdissement)
universels et dès lors moins chers et, d’autre part, des solutions
spéciales axées sur l’application afin de répondre à des exigences sans
cesse grandissantes. Ceci est très complexe car les applications et
environnements peuvent à chaque fois différer totalement. Les éléments d’assourdissement
doivent convenir tant pour le montage horizontal que vertical. Il faut
savoir que la fréquence propre diffère d’un type de pompe à l’autre. Les
paramètres du système, et par conséquent le bruit, varient aussi sous l’influence
de la température. Des erreurs au sein du système global (par ex. la
connexion de conduites) peuvent également conduire à une neutralisation
complète des mesures prises. Enfin, les coûts jouent un rôle important. L’utilisateur
n’est en général pas disposé à payer le surcoût nécessaire pour les
différentes adaptations.
Une réduction sonore réussie
Les résultats de l’industrie hydraulique nous ont montré ces dernières
années qu’il est possible de rencontrer toutes ces exigences. Les
constructeurs de pompes et moteurs ont développé de nouvelles séries,
optimisées au niveau du bruit. De plus, en optant pour des mesures
secondaires adéquates, on peut atteindre des réductions de bruit
supplémentaires de 3 à 8 dB (A), sans perte de puissance bien évidemment.
Les exigences strictes relatives à l’émission sonore sont ainsi
satisfaites et l’industrie hydraulique l’exploite à son propre avantage
sur le plan marketing: les installations silencieuses sont nettement mieux
acceptées parmi les utilisateurs. <<
Auteur : Christoph Bettmer – KTR Kupplungstechnik – traduction : Rob Peper
–KTR Nederland
